劉占省，武樂佳，劉子圣

面向全生命期的多維多尺度智能建造體系

劉占省1, 2，武樂佳1, 2，劉子圣1, 2

(1. 北京工業(yè)大學(xué)城市建設(shè)學(xué)部，北京 100124；2. 北京工業(yè)大學(xué)城市與工程安全減災(zāi)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100124)

目前，建造業(yè)較低的信息化、智能化水平導(dǎo)致項(xiàng)目建設(shè)存在效率低下和過于依賴人工等問題．由于缺乏系統(tǒng)性理論框架和體系的指導(dǎo)，相關(guān)研究大多局限于技術(shù)層面且致力于解決某一具體建造環(huán)節(jié)的不足，使智能建造的發(fā)展受到了一定程度的阻礙．為解決上述問題，在前人研究的基礎(chǔ)上，考慮建造體系的時(shí)空演變和信息流動等要素對整個(gè)建造過程的影響，以全局觀念構(gòu)建一種面向整個(gè)建造范疇即全生命期的智能建造體系．同時(shí)聚焦于宏觀和微觀層面，把對智能建造體系架構(gòu)的研究抽象為多維多尺度體系建模的問題，從時(shí)間維度、信息維度與結(jié)構(gòu)層級維度融合的思路出發(fā)，對智能建造過程進(jìn)行數(shù)據(jù)、模型驅(qū)動的框架建模和體系搭建．建立了一種包含時(shí)間、信息和結(jié)構(gòu)層級維度的多維多尺度智能建造體系架構(gòu)，詳細(xì)說明了各維度的含義和作用．在此基礎(chǔ)上提出了智能建造體系三維坐標(biāo)軸模型，給出使用智能建造體系三維坐標(biāo)軸模型的典型場景，以說明智能建造架構(gòu)各層次形成的機(jī)理；提出了全生命期的智能建造模式，以2022年卡塔爾世界杯主體育場為實(shí)例，闡述智能建造體系在全生命期中的運(yùn)用流程．不同建造場景的示例以及卡塔爾世界杯主體育場的案例，為智能建造體系的普適性和實(shí)用性增添了依據(jù)，給智能建造理論的研究和行業(yè)的智能化發(fā)展提供了新的思路．

智能建造；體系架構(gòu)；多維度模型；全生命期

將人從煩瑣和危險(xiǎn)的建造環(huán)境中解放出來一直是人類的追求．與其他行業(yè)相比，建造業(yè)存在智能化程度低、過于依賴人工經(jīng)驗(yàn)、信息流動性差和效率低下等問題[1]．在工業(yè)4.0的背景之下，建造業(yè)轉(zhuǎn)型升級成為一大議題．首先，第四次工業(yè)革命的到來推動了建筑業(yè)的工業(yè)化變革，即通過現(xiàn)代化的制造、運(yùn)輸、安裝和科學(xué)管理的生產(chǎn)方式代替?zhèn)鹘y(tǒng)建筑業(yè)中分散、低水平、低效率的生產(chǎn)方式，體現(xiàn)為預(yù)制構(gòu)件大規(guī)模批量生產(chǎn)、裝配式建筑蓬勃發(fā)展等；其次，人工智能等技術(shù)的發(fā)展促使各行業(yè)邁向智能化．傳統(tǒng)建造過程中為實(shí)現(xiàn)一個(gè)建筑目標(biāo)，主要憑借管理者長期積累的施工經(jīng)驗(yàn)來做決策．這種以人的經(jīng)驗(yàn)為主導(dǎo)的模式，在建造業(yè)發(fā)展過程中根深蒂固．但是，人在處理信息和做決策時(shí)，存在一定局限性，在當(dāng)今日益龐大和復(fù)雜的建設(shè)項(xiàng)目中尤為明顯[2]．隨著工程體量和工程復(fù)雜性的增加，需要處理的信息量呈指數(shù)增長，人為決策會造成很多問題，例如多次返工、成本超支、進(jìn)度拖延、項(xiàng)目質(zhì)量差[3]和頻繁的安全生產(chǎn)事故等[4]．依據(jù)人的經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行決策，不能滿足利益相關(guān)者的管理目標(biāo)和需求[5]，因此，建筑業(yè)迫切需要智能化的決策手段和管理方式，以減少對人的依賴．同時(shí)，信息技術(shù)的蓬勃發(fā)展，使得建造過程中信息采集、處理、通信和使用都愈加方便．盡管建筑業(yè)是一個(gè)相對保守的行業(yè)，但是科技的發(fā)展和人類對居住場所越來越高的要求，使建筑業(yè)必須向工業(yè)化、信息化、智能化的方向轉(zhuǎn)型升級[6]．

智能建造是一種建立在高度數(shù)字化、信息化、工業(yè)化上的互聯(lián)互通、智能高效的可持續(xù)建造模式[7].近年來，這種全新的建造模式[8]已得到業(yè)內(nèi)學(xué)者的廣泛關(guān)注．智能建造集成了傳感技術(shù)、通信技術(shù)、數(shù)據(jù)技術(shù)、建造技術(shù)及項(xiàng)目管理等知識，對建造物及其建造活動的安全、質(zhì)量、環(huán)保、進(jìn)度、成本等內(nèi)容進(jìn)行感知、分析、控制和優(yōu)化，以促進(jìn)安全、優(yōu)質(zhì)、綠色、高效建造[9]．從技術(shù)層面推動建筑業(yè)向智能化方向發(fā)展是智能建造最直觀的體現(xiàn)形式，但是智能建造不僅僅是技術(shù)層面的簡單融合．眾多學(xué)者對智能建造提出了自己的見解，將其定義為建造模式、系統(tǒng)、理念?等[10-12].除了方法和技術(shù)的變革，還強(qiáng)調(diào)了信息、管理平臺以及全生命期等要點(diǎn)．然而現(xiàn)有關(guān)于智能建造的研究要么停留在技術(shù)和項(xiàng)目應(yīng)用層面，要么著眼于智能吊裝、智能監(jiān)測等階段性建造過程，鮮有從全生命期或者更宏觀的角度探究整個(gè)建造模式的轉(zhuǎn)?變.可以說，智能建造相關(guān)理論的研究還處于初級階段，對其體系架構(gòu)和其核心屬性的研究也處于探索?階段[10].

在工業(yè)4.0的背景下，部分學(xué)者首先對制造業(yè)開展智能體系方面的研究：Zhou等[13]從不同維度分析了智能制造空間的特征；Ding等[14]從矩陣?yán)碚摮霭l(fā)研究了一種針對復(fù)雜智能制造過程的多維時(shí)空建模方法；Tao等[15]將智能制造空間劃分為3個(gè)基本組成部分，建立信息與物理空間的映射關(guān)系，實(shí)現(xiàn)了面向?qū)嶓w操作的空間模型．

上述研究雖然對智能制造系統(tǒng)及流程進(jìn)行了較全面的體系建模，但僅局限于制造業(yè)．相比之下，建造業(yè)受人為因素的影響更大，生產(chǎn)環(huán)境更為復(fù)雜，且智能化程度更低[1,16]，故建造業(yè)的智能化發(fā)展迫在眉睫．新興建造技術(shù)和信息技術(shù)的快速發(fā)展及廣泛應(yīng)用，使建造過程中開展對“人、機(jī)、料、法、環(huán)”的智能化管理成為可能．智能建造模式具有自意識、自交流、自決策等核心屬性[2]．將智能建造理念貫穿于整個(gè)建造過程可滿足個(gè)性化、服務(wù)化、智能化等行業(yè)發(fā)展的需求．國內(nèi)外已有諸多學(xué)者從模式、技術(shù)、系統(tǒng)等不同角度對智能建造進(jìn)行分析研究．

在模式方面，Niu等[17]定義了智能化工程的基本目標(biāo)和構(gòu)成，并分析了智能建造與傳統(tǒng)建造的相關(guān)性和差異性．樊啟祥等[9]論述了智能建造的定義和主要特征，并提出了智能建造感知、分析、控制和持續(xù)優(yōu)化閉環(huán)控制理論．劉占省等[16]提出了一種綜合數(shù)字孿生、物聯(lián)網(wǎng)(IoT)、BIM和有限元模型的智能建造方法框架.

在技術(shù)方面，劉金典等[18]提出了一種基于BIM和激光掃描的裝配式體系建造管理與質(zhì)量控制方法. 滿延磊等[19]研發(fā)了一套智能支吊架全過程設(shè)計(jì)系統(tǒng)．Wang等[20]運(yùn)用人工智能技術(shù)以及BIM技術(shù)建立了支持消防安全管理的信息模型，解決了施工中對突發(fā)事件反應(yīng)不及時(shí)的情況．劉占省等[21]將數(shù)字孿生技術(shù)用于預(yù)應(yīng)力鋼結(jié)構(gòu)的實(shí)時(shí)監(jiān)測，及時(shí)預(yù)測其安全水平，并提出了一種基于數(shù)字孿生和人工智能的預(yù)應(yīng)力索智能張拉方法．Kolbe等[22]將BIM和地理信息系統(tǒng)(GIS)組合建立起基于數(shù)據(jù)集成的構(gòu)建環(huán)境的全面視圖．

在系統(tǒng)方面，Dave等[23]將基于IoT的通訊框架應(yīng)用于精益施工管理及整個(gè)建筑生命周期的管理．尤志嘉等[24]提出基于“信息-物理”融合的智能建造系統(tǒng)作為智能建造概念的實(shí)現(xiàn)形式，主要從功能和技術(shù)角度描述智能建造系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)．Wang等[25]為解決裝配式建筑施工中信息集成和交互的問題，提出基于物聯(lián)網(wǎng)的裝配式建筑智能施工系統(tǒng)(ICSPB-IoT)的概念框架，探討其運(yùn)行機(jī)制并提出具體的實(shí)施路徑．

上述文獻(xiàn)圍繞新興技術(shù)在建造業(yè)轉(zhuǎn)型升級中的應(yīng)用，提出了一系列新型建造方式與系統(tǒng)．多位學(xué)者用技術(shù)手段解決了傳統(tǒng)建造過程中的部分難點(diǎn)，推動了建造業(yè)向智能化的轉(zhuǎn)變，但是其多以單點(diǎn)應(yīng)用和局部系統(tǒng)為主，對集成化應(yīng)用和整體架構(gòu)研究較少．在宏觀方面，以建造全生命期為背景，對智能建造理論和體系架構(gòu)方面的研究不足．在微觀方面，各項(xiàng)技術(shù)交互使用的案例較少，各環(huán)節(jié)之間以及環(huán)節(jié)與整個(gè)建造過程之間的關(guān)系不夠清晰．建立面向建造全過程的智能建造體系，將現(xiàn)階段智能建造的相關(guān)研究成果進(jìn)行集成和拓展很有必要，但是該方面的文獻(xiàn)還較為缺乏．

智能建造體系應(yīng)該是宏觀和系統(tǒng)的．BIM技術(shù)的發(fā)展和廣泛應(yīng)用，可為智能建造提供一個(gè)統(tǒng)一完整的數(shù)據(jù)庫，作為信息管理和各階段全方位協(xié)同工作的平臺．同時(shí)，智能建造依賴于建造業(yè)的信息化發(fā)展水平．信息作為可以在智能建造體系中流動的媒介，發(fā)揮的作用不容忽視，但信息本身又是復(fù)雜的．根據(jù)信息類型和所處階段的不同，在體系中扮演不同角色，在新技術(shù)的加持下發(fā)揮不同的功能．許多學(xué)者在建筑信息化領(lǐng)域進(jìn)行了研究，例如：使用BIM技術(shù)推動建筑行業(yè)的信息化[26-27]；通過采用信息通信技術(shù)，例如自動ID[28-29]以及傳感技術(shù)[30-31]，實(shí)現(xiàn)了信息的高效感知和傳遞．此外，對于龐大的智能建造體系而言，在對其中某一具體環(huán)節(jié)開展研究時(shí)，應(yīng)將研究對象進(jìn)行結(jié)構(gòu)分級，進(jìn)而確定其在智能建造體系中的位置和上下級關(guān)聯(lián)研究．

通過以上分析，要建立一個(gè)面向整體的、具有普適性的智能建造體系，應(yīng)滿足以下需求：①既能涵蓋建造全生命期，又能精確到某一具體建造過程；②技術(shù)層面要用到人工智能、算法等，實(shí)現(xiàn)智能控制，減少對人的依賴；③要重視信息在體系中的作用，對信息進(jìn)行分類研究；④要能夠?qū)Σ煌慕ㄔ鞂ο筮M(jìn)行結(jié)構(gòu)層級的區(qū)分．

通過對智能建造發(fā)展需求的梳理，明確本文建立面向全生命期的智能建造體系架構(gòu)、開拓未來建造業(yè)的基本模式的目標(biāo)．同時(shí)聚焦于宏觀和微觀層面，把對智能建造體系架構(gòu)的研究抽象為多維多尺度體系建模的問題，從時(shí)間維度、空間維度與結(jié)構(gòu)層次維度融合的視角出發(fā)，對智能建造過程進(jìn)行數(shù)據(jù)、模型驅(qū)動的框架建模和體系搭建，并提出全生命期的智能建造模式．本文的主要目的是定義智能建造體系架構(gòu)，并說明其在建筑領(lǐng)域的適用性．本體系以多項(xiàng)智能技術(shù)在整個(gè)建造過程中的集成為基礎(chǔ)，達(dá)到智能化的目的．但是該體系中的技術(shù)革新不只服務(wù)于具體施工環(huán)節(jié)，而是著眼于體系和理論，以實(shí)現(xiàn)整個(gè)建造模式的改變．本文包括4個(gè)部分．在智能建造理論的指導(dǎo)下，第1節(jié)定義了體系，提出了構(gòu)成智能建造體系的時(shí)間、信息、結(jié)構(gòu)層級3個(gè)維度，闡明其內(nèi)涵，并建立智能建造體系三維坐標(biāo)軸模型．第2節(jié)給出三維坐標(biāo)軸模型應(yīng)用的示例場景，以說明智能建造架構(gòu)各層次形成的機(jī)理．接下來討論了智能建造體系下的全生命期建造模式，并以卡塔爾世界杯主體育場為例展開具體說明．最后一部分對文章內(nèi)容進(jìn)行總結(jié)，并分析了智能建造進(jìn)一步發(fā)展所面對的挑戰(zhàn)．

1?智能建造體系架構(gòu)搭建

智能建造體系在本文定義如下：通過智能化的技術(shù)手段對建筑工地上人員、材料、機(jī)械設(shè)備以及復(fù)雜動態(tài)的室內(nèi)建筑環(huán)境的信息收集、存儲、挖掘、處理、反饋，形成涵蓋全生命期的建造體系．根據(jù)上文所述智能技術(shù)在建造過程中帶來的價(jià)值以及建造體系的獨(dú)特性，結(jié)合建筑工程復(fù)雜、要素信息多的特點(diǎn)，參考劉占省等[16]構(gòu)建的基于數(shù)字孿生的智能建造模型，提出如式(1)所示的智能建造多維空間模型，便于從多維度對建造全過程和全要素進(jìn)行分析和研究.

圖1?智能建造體系架構(gòu)

1.1?時(shí)間維度

圖2?智能建造體系時(shí)間維度

1.2?信息維度

1.3?結(jié)構(gòu)層級維度

各層級之間為逐層包含關(guān)系，分別與建造過程出現(xiàn)的元素相對應(yīng)．同樣，對該維度的分析也建立在IoT、云計(jì)算、大數(shù)據(jù)等信息技術(shù)的基礎(chǔ)之上．結(jié)構(gòu)層級維度如圖4所示，其中單元層級對應(yīng)單個(gè)人員、結(jié)構(gòu)構(gòu)件或機(jī)械設(shè)備等，構(gòu)件制作、設(shè)備維修多處于這個(gè)層級；組織層級與已形成的某個(gè)建造環(huán)節(jié)相對應(yīng)，它是由多個(gè)單元級元素經(jīng)過合理的工序流程而構(gòu)成的，可以完成建筑過程部分功能的實(shí)施任務(wù)；系統(tǒng)層級對應(yīng)結(jié)構(gòu)系統(tǒng)、生產(chǎn)系統(tǒng)或監(jiān)測系統(tǒng)等，是由多個(gè)單元層級、組織層級建立業(yè)務(wù)協(xié)作關(guān)系所構(gòu)成，包括了數(shù)據(jù)采集、人員流與信息流的綜合復(fù)雜系統(tǒng)，能夠?qū)崿F(xiàn)各子結(jié)構(gòu)間的組織、協(xié)調(diào)及管理等；企業(yè)級包含建造活動的全要素信息，全面反映建造過程，對各子系統(tǒng)及子系統(tǒng)間的交互與耦合關(guān)系進(jìn)行描述，從而對整個(gè)系統(tǒng)的演化進(jìn)行分析與預(yù)測．

圖3?智能建造體系信息維度

基于上述分析提煉出智能建造體系三維坐標(biāo)軸模型如圖5所示．在時(shí)間、信息、結(jié)構(gòu)層級3個(gè)維度坐標(biāo)軸形成的空間內(nèi)，從3個(gè)軸上各選一點(diǎn)構(gòu)成的面能清晰呈現(xiàn)任一建造過程在智能建造模式下的位置．不同類型建造過程成為體系全生命期管理的一部分，將在第2節(jié)中舉出示例場景進(jìn)行說明．本文所建立的基于技術(shù)融合的智能化多維模型可以滿足智能建造體系的需求，以信息技術(shù)為前提，以智能化為目標(biāo)，宏觀上涵蓋全生命期，微觀上又能聚焦于某一建造過程，同時(shí)體現(xiàn)其信息類型和結(jié)構(gòu)層級．在不同環(huán)境的要求下，同樣的建造過程可能所屬不同位置．通過宏觀把握和精準(zhǔn)定位，某一建造過程將會以體系中的3個(gè)維度為根據(jù)，明確其智能建造的要求．另外需要說明的是，智能化技術(shù)不作為智能建造體系的單獨(dú)一維，是因?yàn)橹悄芙ㄔ祗w系正是建立在先進(jìn)科學(xué)技術(shù)的發(fā)展之上的．當(dāng)然，隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展和理論的不斷完善，將來也可能會創(chuàng)建比本三維模型更詳實(shí)、高級的智能建造體系模型．

圖5?智能建造體系三維坐標(biāo)軸模型

2?智能建造體系應(yīng)用的示例場景

2.1?構(gòu)件生產(chǎn)

構(gòu)件生產(chǎn)作為項(xiàng)目的開始階段，對節(jié)約成本、節(jié)能減排、保證質(zhì)量起著關(guān)鍵作用．預(yù)制是一種場外施工方法，可將建筑物的一些或所有部件轉(zhuǎn)移到預(yù)制工廠．預(yù)制構(gòu)件的普及雖然解決了施工現(xiàn)場混亂、工業(yè)化程度低的問題，但是工廠中生產(chǎn)的構(gòu)件會額外地涉及生產(chǎn)、儲存、運(yùn)輸及現(xiàn)場使用過程中多方參與等問題．生產(chǎn)構(gòu)件的過程中資源的局限使得構(gòu)件的交貨時(shí)間晚于規(guī)定時(shí)間的情況時(shí)有發(fā)生．多方協(xié)同工作本質(zhì)上是利用各方優(yōu)勢更好地完成項(xiàng)目，但是實(shí)際生產(chǎn)過程中，由于各承包方信息交流的滯后導(dǎo)致的材料嚴(yán)重延誤，會造成更大的環(huán)境污染和高昂的成本．為了解決上述諸多問題，將智能建造技術(shù)引入到構(gòu)件生產(chǎn)中，以滿足科學(xué)生產(chǎn)計(jì)劃、構(gòu)件信息追溯、多方協(xié)同等要求．如圖6所示，構(gòu)件生產(chǎn)在本文定義的智能建造體系三維坐標(biāo)軸模型中可定位于生產(chǎn)階段-單元(構(gòu)件)層級-幾何信息．

圖6 構(gòu)件生產(chǎn)在智能建造體系三維坐標(biāo)軸模型中的位置

在生產(chǎn)階段，將材料、工人工作時(shí)間、生產(chǎn)步驟、機(jī)械數(shù)量等作為限制條件，將延誤時(shí)間和儲存時(shí)間最小值作為優(yōu)化目標(biāo)，由混合整數(shù)線性規(guī)劃(MILP)、遺傳算法(GA)等進(jìn)行建模和優(yōu)化形成優(yōu)化生產(chǎn)方案．通過射頻識別技術(shù)(RFID)記錄構(gòu)件的基礎(chǔ)信息(幾何信息、出廠信息、有效時(shí)間等)，實(shí)現(xiàn)構(gòu)件生產(chǎn)、儲存、運(yùn)輸及現(xiàn)場使用全過程的信息記錄與共享．不同的承包方依靠BIM進(jìn)度管理進(jìn)行信息公開，獲得實(shí)時(shí)工廠生產(chǎn)情況，如圖7所示．

2.2?構(gòu)件吊裝

隨著經(jīng)濟(jì)和科技的發(fā)展，建筑物的規(guī)模和復(fù)雜性也逐漸增加．傳統(tǒng)建設(shè)模式基于紙質(zhì)記錄和現(xiàn)場檢查，不能滿足利益相關(guān)者的管理目標(biāo)和需求．對危險(xiǎn)預(yù)警的被動反應(yīng)是造成事故的主要原因之一．因此，施工階段中的安全預(yù)警、可視化以及數(shù)據(jù)采集是研究和管理人員長期關(guān)注的課題．以預(yù)制構(gòu)件吊裝過程為例，在智能建造體系下，其風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警和對多源異構(gòu)數(shù)據(jù)的收集是傳統(tǒng)施工模式所難企及的．智能建造技術(shù)的發(fā)展提高了建造過程中對安全、質(zhì)量、成本的保證．如圖8所示，構(gòu)件吊裝在本文定義的智能建造體系模型中可定位于施工階段-組織層級-物理信息．

圖7?構(gòu)件生產(chǎn)流程

圖8 構(gòu)件吊裝在智能建造體系三維坐標(biāo)軸模型中的位置

智能建造體系下的施工階段將智能設(shè)備、物聯(lián)網(wǎng)、數(shù)字孿生等技術(shù)集成協(xié)同工作．智能設(shè)備減少了施工人員的體力勞動，同時(shí)它有更好的可預(yù)測性，便于安全預(yù)測和風(fēng)險(xiǎn)評估．在施工過程中傳感器的使用為數(shù)字孿生仿真模型提供了有力的工具；物理信息是指構(gòu)件在吊運(yùn)、拼裝過程中對其物理狀態(tài)的描述．所收集的數(shù)據(jù)具有實(shí)時(shí)更新、可視化的特點(diǎn)，也是安全預(yù)測的基礎(chǔ)．在智能建造體系下吊裝過程屬于組織層級，其特點(diǎn)是在吊裝過程中，對各部分構(gòu)件單元信息的采集、處理組成了整個(gè)過程的智能化，如圖9所示．

2.3?安防疏散

通常狀態(tài)下，建筑物施工完成后的運(yùn)行管理由不同團(tuán)隊(duì)負(fù)責(zé)，因此運(yùn)維階段常與前兩個(gè)階段相互割裂．在智能建造體系下的運(yùn)維階段包含多個(gè)學(xué)科專業(yè)的協(xié)同工作，通過整合人、地點(diǎn)、過程和技術(shù)來確保建筑物功能的實(shí)現(xiàn)．安全管理是運(yùn)維階段的一個(gè)重要部分，它涉及到了設(shè)備安全管理、人員安全管理、結(jié)構(gòu)安全管理等[32]．以建筑物運(yùn)營期間安全管理中的安防疏散為例，建筑的運(yùn)營安防疏散在本文模型中的定位為運(yùn)維階段-系統(tǒng)層級-規(guī)則信息，如圖10所示．

圖9?構(gòu)件智能吊裝示意

圖10 運(yùn)營安防疏散在智能建造體系三維坐標(biāo)軸模型中的位置

建筑的運(yùn)營安防疏散在時(shí)間維度上屬于運(yùn)維階段，在結(jié)構(gòu)層級屬于系統(tǒng)級，智能安防在信息上著重強(qiáng)調(diào)智能算法，屬于規(guī)則信息．在智能建造體系中，建筑資源因具備感知、處理、分析和反應(yīng)能力而變得智能，由此可與附近的人或環(huán)境進(jìn)行信息交互，有助于人的決策[2]．在傳統(tǒng)建筑物中，為了保證突發(fā)事件中人員的快速疏散，會設(shè)立疏散指示路標(biāo)，但固定的指示牌不能應(yīng)對隨機(jī)突發(fā)的危險(xiǎn)事件．智能運(yùn)維則會結(jié)合設(shè)計(jì)和施工階段的數(shù)據(jù)，做到對建筑物結(jié)構(gòu)安全的掌控．當(dāng)有突發(fā)事件時(shí)，結(jié)構(gòu)部分的異常將會在運(yùn)維平臺中顯示．同時(shí)UWB定位系統(tǒng)將會分布在建筑物中，以便實(shí)時(shí)感知人員位置．與人員的交互體現(xiàn)在視距范圍外危險(xiǎn)的可視化．以火災(zāi)為例，當(dāng)發(fā)生危險(xiǎn)時(shí)，建筑物內(nèi)的人員多處于分散、流動狀態(tài)，無法判斷自身與危險(xiǎn)源以及安全出口的位置關(guān)系，每個(gè)人的最短疏散路徑也具有差異性．因此通過UWB人員定位，并將建筑物的BIM模型與智能算法相結(jié)合，可以提供更符合人員當(dāng)前位置的疏散路徑，并以可視化的方式呈現(xiàn)疏散路徑．宏觀來看，建筑物運(yùn)行管理過程中所積累的數(shù)據(jù)是豐富的數(shù)據(jù)資產(chǎn)，可以系統(tǒng)性描繪任意時(shí)間段內(nèi)建筑狀態(tài)的數(shù)據(jù)．智能建造體系指導(dǎo)下的安防疏散模式如圖11所示．

圖11?智能安防疏散示意

示例場景展現(xiàn)了本文定義的智能建造體系架構(gòu)的應(yīng)用機(jī)理、涵蓋范圍和智能屬性，但并不是詳盡無遺的，還有大量的施工環(huán)節(jié)、管理場景等，可在智能建造技術(shù)的加持下，改變原有粗獷的方法，融入到智能建造體系中．鑒于本體系尚未被廣泛應(yīng)用，第3節(jié)中將會提供一個(gè)全生命期的實(shí)例來呈現(xiàn)智能建造體系的普適性和實(shí)用性．

3?智能建造體系在全生命期中的應(yīng)用

為進(jìn)一步明確智能建造體系特點(diǎn)，更清楚地呈現(xiàn)各建造階段之間的關(guān)系以及實(shí)現(xiàn)智能化的具體過程，以2022年卡塔爾世界杯主體育場項(xiàng)目為依托，將該項(xiàng)目全生命期的智能建造流程作為智能建造體系在建造生命期中應(yīng)用的實(shí)例進(jìn)行說明．圖12展示了卡塔爾世界杯主體育場部分智能建造步驟形成的循環(huán)體系．可見，智能建造體系是一個(gè)全生命期的閉環(huán)體系．將BIM模型與其他用于智能建造中的新興技術(shù)相結(jié)合，一方面實(shí)現(xiàn)了建筑生命期設(shè)計(jì)、生產(chǎn)、施工、運(yùn)維多階段的集成考量，另一方面規(guī)避了決策者在數(shù)據(jù)分析和技術(shù)傳遞方面的額外成本．在智能建造體系下，各階段的數(shù)據(jù)通過收集、儲存、挖掘、處理，將原本獨(dú)立的多方工作聚合成了一個(gè)協(xié)同工作的整體，具體實(shí)現(xiàn)路徑如下．

在設(shè)計(jì)階段主要用BIM技術(shù)進(jìn)行建模和協(xié)同設(shè)計(jì)，本項(xiàng)目使用Autodesk Revit建立精細(xì)的BIM模型，精細(xì)到每一個(gè)構(gòu)件，模型與現(xiàn)實(shí)構(gòu)件的特征完全相同．構(gòu)件模型設(shè)計(jì)完成后，交給預(yù)制工廠進(jìn)行加工、生產(chǎn)、預(yù)制，工廠將會根據(jù)生產(chǎn)計(jì)劃制定生產(chǎn)步驟、工廠的機(jī)械和工人的數(shù)量，通過MILP、GA進(jìn)行生產(chǎn)計(jì)劃的優(yōu)化，優(yōu)化后的流水線大大減少了延期交貨的發(fā)生．完成制作后把構(gòu)件進(jìn)行RFID處理，如圖13所示．RFID標(biāo)簽用于構(gòu)件的識別和構(gòu)件信息的寫入，構(gòu)件唯一識別ID、種類、材料、幾何尺寸、存放位置、生產(chǎn)單位、出廠日期等信息存儲在標(biāo)簽中，通過索引構(gòu)件ID可以在云端數(shù)據(jù)庫查詢到構(gòu)件的施工工藝和各施工過程質(zhì)量要求的全部信息．完成檢查后的預(yù)制構(gòu)件運(yùn)送至施工現(xiàn)場，在運(yùn)送過程中遵守準(zhǔn)時(shí)制原則，減少構(gòu)件存儲費(fèi)用和運(yùn)送等待時(shí)間．構(gòu)件由制作完成到進(jìn)入現(xiàn)場等待使用的全過程均保持實(shí)時(shí)更新數(shù)據(jù)，通過運(yùn)送車輛的行程定位確定構(gòu)件的到場時(shí)間，由智能算法編排構(gòu)件使用次序．由此實(shí)現(xiàn)了構(gòu)件從生產(chǎn)到運(yùn)輸?shù)挠行?lián)動，提升了不同專業(yè)間的協(xié)同效率，也為后續(xù)施工進(jìn)度和質(zhì)量的控制奠定了基礎(chǔ).

預(yù)制構(gòu)件運(yùn)輸?shù)浆F(xiàn)場之后要進(jìn)行吊裝，本項(xiàng)目用數(shù)字孿生的方法開展智能吊裝．在吊裝作業(yè)之前將構(gòu)件和塔吊關(guān)鍵位置安裝傳感器，實(shí)時(shí)感知構(gòu)件力學(xué)性能和位置的變化．采用嵌入式設(shè)備，通過OPC UA、AutomationML、MTConnect等通訊協(xié)議與吊裝構(gòu)件和吊裝設(shè)備建立連接，采用Zigbee、Bluetooth、Wifi等無線方式進(jìn)行連接．將收集到的施工過程數(shù)據(jù)儲存在云服務(wù)器上．另一方面采用GA算法、BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、支持向量機(jī)、決策森林、深度信念網(wǎng)絡(luò)等算法驅(qū)動數(shù)據(jù)分析，實(shí)現(xiàn)對施工過程的準(zhǔn)確判斷與預(yù)測．根據(jù)預(yù)測結(jié)果實(shí)時(shí)對施工過程進(jìn)行控制，達(dá)到智能施工的目的．同時(shí)，建立基于數(shù)字孿生的吊裝安全風(fēng)險(xiǎn)控制平臺，實(shí)現(xiàn)吊裝過程監(jiān)控、吊裝風(fēng)險(xiǎn)監(jiān)測、吊裝風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警、吊裝風(fēng)險(xiǎn)反饋的功能．有效解決了吊裝過程風(fēng)險(xiǎn)大、預(yù)測難、智能化程度低的缺陷．圖14所示為卡塔爾世界杯主體育場施工現(xiàn)場的構(gòu)件吊裝.

圖12?智能建造體系下的卡塔爾世界杯主體育場建造生命期

圖13?卡塔爾世界杯主體育場RFID應(yīng)用

在運(yùn)維階段，將先前所積累的數(shù)據(jù)資產(chǎn)作為現(xiàn)階段的風(fēng)險(xiǎn)預(yù)測基礎(chǔ)．安防疏散是大型體育場運(yùn)維建設(shè)時(shí)的重點(diǎn)研究對象，卡塔爾世界杯項(xiàng)目采用動態(tài)疏散引導(dǎo)方法．通過利用BIM模型和物聯(lián)網(wǎng)搭建面向疏散的數(shù)字孿生模型，如圖15所示．模型中展示現(xiàn)實(shí)空間位置、室內(nèi)環(huán)境監(jiān)測和人員位置的實(shí)時(shí)信息，利用Dijkstra算法進(jìn)行疏散路徑的規(guī)劃，并以三維可視化的形式呈現(xiàn)疏散路徑．當(dāng)發(fā)生火災(zāi)時(shí)，將疏散路徑展示在搭載于網(wǎng)頁端的輕量化BIM模型中，受困人員通過手機(jī)、電話手表等便攜電子設(shè)備，即可獲得實(shí)時(shí)的疏散指導(dǎo)信息．與傳統(tǒng)運(yùn)維中固定的疏散路徑相比，智能運(yùn)維下的動態(tài)疏散路徑以信息實(shí)時(shí)采集和模型中建筑布局三維可視化為依托，實(shí)現(xiàn)危險(xiǎn)區(qū)域的提前感知和不同個(gè)體最優(yōu)的疏散路徑，危險(xiǎn)源監(jiān)測-人員定位-最優(yōu)路徑引導(dǎo)疏散的過程也體現(xiàn)了人與建筑的交互性．同時(shí)，此疏散功能作為智能運(yùn)維的一個(gè)功能，具有數(shù)據(jù)的可傳遞性，在未來其他建筑的建造過程中仍可以起到對比作用．

圖14?卡塔爾世界杯主體育場構(gòu)件吊裝

圖15?卡塔爾世界杯主體育場安防數(shù)字孿生模型

隨著時(shí)間的推移，建筑物的累積損害也逐年增加，在本項(xiàng)目中，建立體育場實(shí)時(shí)監(jiān)測平臺來確保建筑物的正常使用．而在后續(xù)的運(yùn)維和改建中，出現(xiàn)諸如墻體裂縫、變形等損害是不可避免的．這時(shí)，需要對建筑物進(jìn)行損傷識別和加固．智能建造體系下?lián)碛薪】禒顟B(tài)建筑物模型，可以通過BIM與AR技術(shù)結(jié)合的方式進(jìn)行可視化的建筑加固．如此，卡塔爾世界杯主體育場全生命期智能建造全部流程進(jìn)行完畢后，形成一套完整的數(shù)據(jù)資產(chǎn)，可繼續(xù)投入下一代建筑使用，從而實(shí)現(xiàn)全生命期的正反饋閉環(huán)．

4?結(jié)?語

本文所搭設(shè)的智能建造體系架構(gòu)涵蓋建造全過程．時(shí)間維度上，項(xiàng)目建設(shè)各階段形成了一個(gè)有機(jī)的整體，不再互相割裂；信息維度上，通過感知、分析和整合實(shí)現(xiàn)信息價(jià)值的有效利用，使信息不再孤立，實(shí)現(xiàn)共享和協(xié)同；結(jié)構(gòu)層級維度上，智能建造體系實(shí)現(xiàn)從單元級到企業(yè)級有條不紊的管理，也使相應(yīng)的技術(shù)手段有的放矢．同時(shí)，不同建造場景的應(yīng)用示例以及卡塔爾世界杯主體育場的案例，為智能建造體系的普適性和實(shí)用性增添了依據(jù)．

未來，智能建造模式會取代傳統(tǒng)建造模式，成為建筑的基本建造方式，但如今仍有許多挑戰(zhàn)需要克服．第1個(gè)挑戰(zhàn)是目前我國的智能建造發(fā)展仍處于初級階段，智能建造體系不夠健全．在規(guī)范方面，關(guān)于智能建造的研究缺少統(tǒng)一的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)，導(dǎo)致研究成果的市場適應(yīng)性和服務(wù)能力滯后；在技術(shù)層面多依賴于國外軟件平臺，缺乏核心競爭力；在行業(yè)環(huán)境方面，尚未形成良好的應(yīng)用生態(tài)，使面向全生命期的智能化集成應(yīng)用難以落實(shí)．因此，進(jìn)一步完善和健全智能建造體系為建造模式轉(zhuǎn)型的首要挑戰(zhàn)．第2個(gè)挑戰(zhàn)是發(fā)展智能建造需要投入大量成本．從傳統(tǒng)建造模式過渡到智能建造模式的過程是相對緩慢的，除了技術(shù)的更新，更難的是思想觀念的轉(zhuǎn)變．如何協(xié)調(diào)行業(yè)前期智能技術(shù)成本投入與中長期效益轉(zhuǎn)化、從甄選小范圍試點(diǎn)到項(xiàng)目全生命期智能建造化等問題將成為決策者面對的關(guān)鍵問題．第3個(gè)挑戰(zhàn)是隨著人工智能的引入，以人為經(jīng)驗(yàn)為主導(dǎo)的決策模式將逐漸被取代，以經(jīng)驗(yàn)為競爭力的施工人員也會面臨與機(jī)器人共同工作的問題，人機(jī)協(xié)同合作的場景與模式也將成為智能建造發(fā)展過程中不可規(guī)避的挑戰(zhàn)．第4個(gè)挑戰(zhàn)則是智能建造體系研究應(yīng)用領(lǐng)域的進(jìn)一步開拓．除了房屋建筑和大型鋼結(jié)構(gòu)體育場，智能建造的方法應(yīng)推廣至裝配式建筑以及交通、水利、市政等城市基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)領(lǐng)域，并根據(jù)其各自的特點(diǎn)進(jìn)行改良和完善，推動整個(gè)土建行業(yè)的智能化變革．總之，智能建造的發(fā)展任重而道遠(yuǎn)，要做的就是迎接挑戰(zhàn)，擁抱建筑業(yè)的未來．

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Multi-Dimensional and Multi-Scale Intelligent Construction System for Entire Life Cycle

Liu Zhansheng1, 2，Wu Lejia1, 2，Liu Zisheng1, 2

(1. Faculty of Architecture，Civil and Transportation Engineering，Beijing University of Technology，Beijing 100124，China；2. Key Laboratory of Urban Security and Disaster Engineering of Ministry of Education，Beijing University of Technology，Beijing 100124，China)

At present，the insufficient informatization and intelligentization in construction projects are causing inef-ficiencies and an overreliance on manual labor during project construction. The absence of a comprehensive theoretical framework has constrained most related research to the technical level primarily addressing specific construction step deficiencies，which has to some extent，hindered the advancement of intelligent construction. To address these chal-lenges，considering the impact of spatiotemporal evolution and information flow on the entire construction process，we propose an intelligent construction system encompassing a holistic approach for the entire life cycle based on the previous studies. By focusing on both macro and micro levels，the study of intelligent construction system architect-ture is abstracted into the issue of multi-dimensional and multi-scale system modeling. The study was initiated by inte-grating time，informational，and structural hierarchical dimensions to perform data- and model-driven framework modeling and system building for the intelligent construction process. A multi-dimensional and multi-scale intelligent construction system architecture encompassing temporal，information，and structural hierarchical dimensions was developed，clarifying the meaning and function of each dimension. Based on this，a three-dimensional coordinate axis model for an intelligent construction system was proposed. We provided three typical scenarios utilizing the three-dimensional coordinate axis model to illustrate the formation mechanism in each dimension. Moreover，we introduced an entire life cycle intelligent construction model，using the main stadium of FIFA World Cup Qatar 2022 as an example to demonstrate the process of using intelligent construction systems throughout the entire life cycle. The various construction scenario examples and the case study of the main stadium support the universality and practicability of the intelligent construction system. Additionally，it offers novel insights for further research in intelligent construction theory and fosters the industry’s intelligent development.

intelligent construction；system architecture；multi-dimensional model；entire life cycle

the National Natural Science Foundation of China(No. 5217082614).

10.11784/tdxbz202210032

TU7；TU375.4

A

0493-2137(2023)12-1295-12

2022-10-25；

2022-11-23.

劉占?。?983—??），男，博士，教授.Email：m_bigm@tju.edu.cn

劉占省，lzs4216@163.com.

國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(5217082614).

(責(zé)任編輯：金順愛)